Freescale Technology Forum MIT-Professor zeigt intelligente Beinprothese

Prof. Hugh Herr leitet am MIT das Institut für Bio-Mechatronik.

Ein Highlight aus dem Bereich der Medizinelektronik zeigte MIT-Professor Hugh Herr, seit einem Kletterunfall im Jahr 1982 selbst beinamputiert, auf dem FTF. Eine Beinprothese aus Titan bildet zusammen mit einem Roboter die Funktionalität eines realen Unterschenkels nach.

Seine echten Beine verlor Herr im Jahr 1982 am Mount Washington, mit 1917 Metern der höchste Berg im Nordosten der USA, der berüchtigt ist für sein arktisches Wetter und Wind-Rekorde. Der damals 17-jährige Herr und ein Freund gerieten auf einer Hochebene ohne Kompass in einen Schneesturm, manchmal versanken sie bis zur Brust im Schnee. Nach dreieinhalb Tagen wurden die beiden gefunden - mit schwersten Erfrierungen. Die Unterschenkel von Herr waren nicht mehr zu retten und mussten amputiert werden.

Seitdem war er von dem Gedanken getrieben, Prothesen zu entwickeln, die die Natur der Beine und des Laufens nachahmen. Dazu studierte er zunächst Physik, danach Mechanical Engineering am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und promovierte anschließend an der benachbarten Harvard University.

Seit 2004 leitet er am MIT Media Lab seine eigene Biomechatronik-Gruppe, die mit rund zwei Dutzend Mitarbeitern mittlerweile die größte in der Einrichtung ist. Er gibt unumwunden zu, dass die zahlreichen Verletzungen von US-Soldaten in den Kriegen im Irak und Afghanistan "nicht unhilfreich" dabei waren, öffentliche Gelder für sein Institut zu aquirieren.

Der an dem künstlichen Unterschenkel befestigte Roboter enthält 5 Motoren, 12 Sensoren, darunter einen Freescale-3-Achsen-Beschleuigungssensor, und 5 PIC-MCUs von Microchip. Bei der Auswahl aller Chips stand eine geringe Leistungsaufnahme im Fokus, da das Gerät ja mit einer Batterieladung einen vollen Tag überleben muss. Über die Sensoren werden Drehmoment, Kraft und Geschwindigkeit gemessen und in eine der jeweiligen Bewegungssituation angemessene Ansteuerung der Motoren umgesetzt. Die maschinelle Unterstützung passt sich dabei der Gehgeschwindigkeit an, in entsprechenden Situationen z.B. Treppen herunter gehen wird eine Energierückgewinnung umgesetzt und die Batterie gespeist.

Die größte Herausforderung bestand darin, den natürlichen Gang des Menschen in ein exaktes mathematisches Modell umzusetzen, dass von den Prozessoren situationsabhängig abgearbeitet werden kann. Dass dies hervorragend gelungen ist, konnte man daran erkennen, dass Herrs eigener Gang von dem eines gesunden Menschen mit bloßen Augen nicht zu unterschieden war. Die Prothese imitiert natürliche Fußgelenke, so dass der künstliche Fuß aufsetzen, abrollen und anheben kann. Das Gewicht beträgt nur knapp über 2 Kilo - eine große Herausforderung, dieses Gewicht zu erreichen. Herr sagte, dass man herausgefunden habe, dass der Mensch maximal 2,4 % seines Körpergewichtes für einen Unterschenkel als akzeptabel empfinde.

Desweiteren wurde auch eine Rheo-Knieprothese entwickelt. Das künstliche Knie hat einen elektronisch gesteuerten Dämpfer eingebaut, der beim Gehen die auftretenden Kräfte fühlt und sie gezielt abfängt. Während beim Gehen Energie von Muskeln und Sehnen zum Knie und von ihm weg fliesst, kann das Rheo-Knie Kräfte nicht weitergeben, sondern nur dämpfen. Deshalb verschwendet es Energie. Das macht der neue motorisierte Fuß besser. Er hat verschiedene Federn eingebaut, die mit dem Motor zusammen den Energiefluss der Natur nachahmen.

Herrs 2007 gegründete Firma iWalk wird 2011 mit der Serienproduktion der Unterschenkel-Prothese beginnen. Gefragt, ob er sich zeitweise seine natürlichen Beine zurückwünscht, beantwortete Herr so: "Nein. Während bei Ihnen die Funktionalität mit dem Alter immer schlechter wird, kann ich alle drei Monate upgraden und ein neues Hardware- und Firmware einspielen".

Nur der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass Herr seit seinem Unfall bis heute rund 50 Bergbesteigungen gemacht hat - mit seinen Titan-Unterschenkeln und deren Chips.